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ZEMAX光学设计实例(125)---一个无限共轭距的柯克物镜的设计

2021-12-14 14:37| 发布者：optkt| 查看：6311| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article discusses the design of a Cooke triplet lens in ZEMAX for correcting aberrations and achieving larger field of view and aperture. The design process involves scaling the initial system parameters, optimizing various variables such as curvatur

引言：

为了对较大视场和孔径成像，并校正各种像差，需要由多个镜片构成较复杂的光学系统提供更多的变量，如曲率半径、透镜间隔、材料参数等。

柯克（Cooke）三片式物镜，又叫库克三片式物镜，它由三片薄透镜组成，其中六个表面曲率半径、三片薄透镜之间的两个间隔，以及三个玻璃的参数均可以作为变量，这为校正近轴、轴外像差并确定系统的焦距提供了足够的自由度。

另外，光阑一般位于第二和第三个透镜之间，系统关于光阑大致对称，非对称像差（如彗差、像散、放大率色差等）不大，像质较好。

柯克三片式物镜结构简单，全视场2ω最大可以达70°，F数最小到2.4，用途广泛。

柯克物镜居中的负透镜一般采用高折射率、高色散的火石（F）或重火石（ZF）玻璃，负光焦度较大；而两端的正透镜一般采用高折射率、低色散的镧冕（LAK）、镧火石（LAF）或重镧冕（ZLAF）玻璃。

由薄透镜组的场曲公式

上式中，

柯克透镜的正负透镜分离，中间的负透镜贡献的φ/n很大，几乎可以抵消两端正透镜的φ/n值，这样合成后场曲较小，确保了平场效果。

技术指标：

设计一个无限共轭距的柯克三片式物镜，技术指标如下：

F	ω	y`	f	OD	β
3	20°	8.0mm	21.78mm	Inf	0

设计流程：

（1）物镜选择与缩放

在光学手册或光学书中选择一个柯克三片式物镜作为初始结构，LDE如下图：

此初始结构的光圈数F为2.5，物镜焦距f`₁为100mm，因此，我们先要修改下系统参数并将物镜焦距缩放到21.78mm。

首先修改系统参数。

在系统通用对话框中设置孔径，在孔径类型中选择“ParaxialWorking F/#”，并根据设计要求输入“3”；

在视场设定对话框中设置3个视场（0、0.7、1），要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C，如下图：

再将物镜焦距缩放到21.78mm，LDE如下图：

缩放后的LDE如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

查看点列图：

Ray Fan，如下图：

在中大视场成像情况下，一般不再评价球差和轴向色差，而更关注表征中大视场的像差，例如点列图、Ray Fan等。

（2）系统优化

打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Spot Radius+Chief Ray”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

并增加以下操作数：

ANGLED FOV（视场角）模块，用于计算物方视场角ω：

（给定系统的视场时，即可以给定角视场ω，也可以给定物高y或像高y`，如果Fie给定的是y或y`，有必要在MFE中用操作数计算物方视场ω。本例中，Fie给定的是ω，MFE中的ANGLED FOV模块也可以删掉。）

RANG操作数，用于计算第1面（参考面）最大视场（Hy=1）主光线的角度（弧度值）。

CONS操作数，定义一个常数，180/π=57.29。

RPOD操作数，用于第2行与第3行相乘，将弧度转变成角度。

该模块只用于观察与监控，不用给权。

PMAG and EFFL（放大率与焦距）模块：

PMAG操作数，为横向放大率β，在无限共轭距时，β=0。

EFFL操作数，有效焦距，目标值21.78mm，并给权重0.02。

CONJUGATE（共轭距）模块：

TTHI操作数，surface0-7，用于计算共轭距，不给权。

VL（物镜长度）模块：

TTHI操作数，surface1-6，用于物镜长度，共轭距，不给权。

OPLT操作数，用于控制物镜长度的上限，目标值10.5，给权0.02。

IMAGE DISTANCE（像距）模块：

CTGT操作数，surface7，用于给出像距的下限，目标值15，给权0.02。

DT（相对畸变）模块：

DIMX操作数，给出相对畸变的上限，目标值2，权重0.001。

BOUNDING FOR THE EDGES（中心和边缘厚度边界条件）模块：

MNCA、MNEA、MNCG、MNEG、MXCG、MXEG操作数，surface1-7，给出透镜中心与边缘的间隔和厚度的边界条件。

一般情况下，大视场物镜由分离的透镜构成，透镜间隔和厚度都可以作为设计变量，在优化过程中，透镜的厚度不能太大，否则既增加了物镜的重量，又提高了材料成本；而正透镜的边缘厚度和负透镜的中心厚度又不能太小，不然难以加工，因此，在MFE中要给定透镜中心和边缘厚度与间隔的边界条件。

将所有面的半径、厚度都设置为变量，进行优化；并进一步将三个玻璃设置为S（可替代），再进行Hammer优化。

优化后的LDE，如下图：

查看优化后的2D Layout：

点列图：

Ray Fan：

查看场曲/畸变：

在MFE中使用PETZ操作数可以计算出佩茨瓦尔半径R_Petz=-63.133，那么可以得到R_Petz/f≈-2.89，像场也很平。

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